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一种受独立功率约束的开关模拟波束成形系统技术方案

技术编号:14892862 阅读:62 留言:0更新日期:2017-03-29 02:04
本发明专利技术提供一种受独立功率约束的开关模拟波束成形系统,包括:发射端射频链、射频开关组件和接收端射频链,所述发射端射频链与射频开关组件的输入端相连接,所述射频开关组件的输出端与所述接收端射频链相连接;其中,所述射频开关组件包括N个发射射频开关以及N个发射射频天线,所述射频开关组件选择一个射频开关作为接收射频开关以实现点对点传输,并根据信道信息控制射频开关组件的射频开关状态以最大化接收信噪比;所述射频开关组件的每一个发射射频天线的发射功率由发射机的发射功率单独约束。本发明专利技术仅使用模拟开关来实现开关模拟波束形成增益,所有选择的射频天线直接连接到一个对应的射频链,且可以实现完全复用增益和全部的分集增益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种模拟波束成形系统,尤其涉及一种受独立功率约束的开关模拟波束成形系统
技术介绍
在未来5G的潜在技术中,已经证明大规模多输入多输出(MIMO)能够将系统频谱效率提高几倍。典型的大规模MIMO系统是蜂窝通信,其中基站(BS)配备有大量天线以服务移动用户。此外,随着高频通信(特别是高于30GHz)的发展,大量天线不仅是可能的,而且还必须补偿由于紧凑的天线尺寸而引起的小阵列增益。数字波束成形是MIMO系统中发展良好的技术,其具有灵活性,适应性和性能优化的优点。然而,数字波束成形太昂贵并且太耗功率不能应用于大规模MIMO中,因为每个天线均与一个昂贵的RF(射频)链连接,通常由功率放大器、模数或数模转换器、模拟转换器和混频器等组成。随着高频通信的发展,特别是60GHz的发展,由于紧凑型天线的尺寸,大量的天线不但是可能而且是必须用来补偿小阵列增益。为了节省数字波束形成中射频链(RF链的成本和功耗非常高)的数目,在RF域中对模拟域的波束形成操作采用移相器和功率放大器的方法,重新获得了更多的关注。模拟RF架构和波束形成算法的设计已在一些出版物被彻底研究。这些工作表明,与使用数字波束形成的传统架构相比,使用模拟波束形成的性能缺陷通过降低硬件开销成本是合理的。虽然模拟波束形成有功率和成本方面的优势,但是在设计RF硬件时,特别是对于毫米波(mm-wave)载波信号,完成模拟波束形成会遇到巨大的挑战和可靠性问题。现有技术中也有人提出了一些简单的模拟波束形成结构来降低其硬件复杂度,但却是以降低性能为代价实现的。与移相器一样,具有可变增益的射频功率放大器也十分必要,这也是使得在实现模拟波束形成时仍具有挑战性和昂贵的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是需要提供一种合理控制成本、体积小、速度快、线性带宽且频率高的受独立功率约束的的开关模拟波束成形系统。对此,本专利技术提供一种受独立功率约束的开关模拟波束成形系统,包括:发射端射频链、射频开关组件和接收端射频链,所述发射端射频链与射频开关组件的输入端相连接,所述射频开关组件的输出端与所述接收端射频链相连接;其中,所述射频开关组件包括N个发射射频开关以及N个与发射射频开关相对应的发射射频天线,N为发射射频天线的个数,N取自然数;所述射频开关组件选择一个射频开关作为接收射频开关,以实现发射射频开关与接收射频开关之间的点对点传输,且所述发射射频开关与接收射频开关之间的信道具有高斯分布的独立分布变量,所述开关模拟波束成形系统根据信道信息控制射频开关组件的射频开关状态以最大化接收信噪比;所述射频开关组件的每一个发射射频天线的发射功率由发射机的发射功率单独约束。本专利技术的进一步改进在于,所述N个发射射频开关的输入端均与所述发射端射频链的输出端相连接,每一个发射射频开关的输出端分别连接至一个与之一一对应的发射射频天线。本专利技术的进一步改进在于,所述射频开关组件还包括接收射频开关以及与接收射频开关相对应的接收射频天线,所述接收射频开关的输入端连接至与之一一对应的接收射频天线,所述接收射频开关的输出端均与所述接收端射频链的输入端相连接。本专利技术的进一步改进在于,所述发射端射频链中,发射机通过功率放大器连接至分流器的输入端,所述分流器的输出端连接至所述射频开关组件的发射射频开关。本专利技术的进一步改进在于,所述接收端射频链中,接收机通过低噪声放大器连接至组合器的输出端,所述组合器的输入端连接至所述射频开关组件的接收射频开关。本专利技术的进一步改进在于,所述接收机的基带接收信号系统模型为接收机接收的信噪比为其中,Po为发射机的发射功率;hj为第j个发射射频天线与接收射频天线之间的信道系数,hj,0≤j≤N都是服从复高斯分布CN(0,1)的独立同分布变量;x为发射机的基带发送信号;n~CN(0,σ2)表示接收机的高斯白噪声;T为发射射频天线的集合;|∑j∈Thj|2为接收机的信号功率。本专利技术的进一步改进在于,每一个发射射频天线均以其最大化的发射功率发送射频信号。本专利技术的进一步改进在于,所述开关模拟波束成形系统根据信道信息控制射频开关组件的射频开关状态以最大化接收信噪比包括以下步骤:步骤S1,根据N个发射射频天线的信道系数,针对这N个信道系数划N条正交垂线,将N个发射射频天线组成的复平面分为共2N个扇区;步骤S2,对每一个扇区,确定一个对应集合VK;步骤S3,对第一个集合V1,计算其中的所有信道系数之和步骤S4,对后面的集合依次计算其中所有的信道系数之和k(k=2,…,2N);步骤S5,对所有的fk,选择其绝对值最大的一个;将绝对值最大的fk所对应的集合VK作为发射射频天线的集合T。本专利技术的进一步改进在于,所述步骤S2中,若第i个信道系数hi在扇区k的投影是正数,则hi∈Vk;否则本专利技术的进一步改进在于,所述步骤S1中,绘制了N个信道系数hj(j=1;2;…;N)的二维复平面,其水平轴和纵轴分别对应实部和虚部;然后对每个信道系数hj绘制其通过原点的正交线,得到2N个扇区。与现有技术相比,本专利技术的有益效果在于:基于信道状态信息,多个发射射频天线中的每一个被接通或断开以实现波束成形,可以显著减少在传统模拟波束成形系统中采用的高成本、大功率消耗和体积庞大的模拟移相器,本专利技术仅使用简单的模拟开关来实现开关模拟波束形成增益,所有选择的射频天线直接连接到一个对应的射频链而无需其他射频链或移相器等任何预处理设备,本专利技术所述开关模拟波束成形系统的效果是通过选择一部分的射频天线来简单地实现,并且可以实现完全复用增益和全部的分集增益。附图说明图1是本专利技术一种实施例的系统结构示意图;图2是现有技术中数字波束形成开关的原理示意图;图3是现有技术中模拟波束形成开关的原理示意图;图4是现有技术中天线选择的原理示意图;图5是本专利技术一种实施例的详细系统模型示意图;图6是本专利技术一种实施例中4个信道系数将复平面分成8个扇区的原理示意图;图7是本专利技术一种实施例通过增加天线数量来仿真接收机的归一化信噪比的示意图;图8是本专利技术一种实施例通过对每个信道实现的瞬时速率进行平均来获得接收机的平均可实现速率的仿真示意图;图9是本专利技术一种实施例接收机信噪比小于给定阈值的概率仿真示意图。具体实施方式下面结合附图,对本专利技术的较优的实施例作进一步的详细说明。如图1所示,本例提供一种受独立功率约束的开关模拟波束成形系统,包括:发射端射频链、射频开关组件和接收端射频链,所述发射端射频链与射频开关组件的输入端相连接,所述射频开关组件的输出端与所述接收端射频链相连接;其中,所述射频开关组件包括N个发射射频开关以及N个与发射射频开关相对应的发射射频天线,N为发射射频天线的个数,N取自然数;所述射频开关组件选择一个射频开关作为接收射频开关,以实现发射射频开关与接收射频开关之间的点对点传输,且所述发射射频开关与接收射频开关之间的信道具有高斯分布的独立分布变量,所述开关模拟波束成形系统根据信道信息控制射频开关组件的射频开关状态以最大化接收信噪比;所述射频开关组件的每一个发射射频天线的发射功率由发射机的发射功率单独约束。如图1所示,所述N个发射射频开关的输入端均与所述发射端射频链的输出端相连接,每一个发射射频开关的输出端分别连接至一个与之一一对应的发射射频天线;所述射频本文档来自技高网
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一种受独立功率约束的开关模拟波束成形系统

【技术保护点】
一种受独立功率约束的开关模拟波束成形系统,其特征在于,包括:发射端射频链、射频开关组件和接收端射频链,所述发射端射频链与射频开关组件的输入端相连接,所述射频开关组件的输出端与所述接收端射频链相连接;其中,所述射频开关组件包括N个发射射频开关以及N个与发射射频开关相对应的发射射频天线,N为发射射频天线的个数,N取自然数;所述射频开关组件选择一个射频开关作为接收射频开关,以实现发射射频开关与接收射频开关之间的点对点传输,且所述发射射频开关与接收射频开关之间的信道具有高斯分布的独立分布变量,所述开关模拟波束成形系统根据信道信息控制射频开关组件的射频开关状态以最大化接收信噪比;所述射频开关组件的每一个发射射频天线的发射功率由发射机的发射功率单独约束。

【技术特征摘要】
1.一种受独立功率约束的开关模拟波束成形系统,其特征在于,包括:发射端射频链、射频开关组件和接收端射频链,所述发射端射频链与射频开关组件的输入端相连接,所述射频开关组件的输出端与所述接收端射频链相连接;其中,所述射频开关组件包括N个发射射频开关以及N个与发射射频开关相对应的发射射频天线,N为发射射频天线的个数,N取自然数;所述射频开关组件选择一个射频开关作为接收射频开关,以实现发射射频开关与接收射频开关之间的点对点传输,且所述发射射频开关与接收射频开关之间的信道具有高斯分布的独立分布变量,所述开关模拟波束成形系统根据信道信息控制射频开关组件的射频开关状态以最大化接收信噪比;所述射频开关组件的每一个发射射频天线的发射功率由发射机的发射功率单独约束。2.根据权利要求1所述的受独立功率约束的开关模拟波束成形系统,其特征在于,所述N个发射射频开关的输入端均与所述发射端射频链的输出端相连接,每一个发射射频开关的输出端分别连接至一个与之一一对应的发射射频天线。3.根据权利要求1或2所述的受独立功率约束的开关模拟波束成形系统,其特征在于,所述射频开关组件还包括接收射频开关以及与接收射频开关相对应的接收射频天线,所述接收射频开关的输入端连接至与之一一对应的接收射频天线,所述接收射频开关的输出端均与所述接收端射频链的输入端相连接。4.根据权利要求3所述的受独立功率约束的开关模拟波束成形系统,其特征在于,所述发射端射频链中,发射机通过功率放大器连接至分流器的输入端,所述分流器的输出端连接至所述射频开关组件的发射射频开关。5.根据权利要求4所述的受独立功率约束的开关模拟波束成形系统,其特征在于,所述接收端射频链中,接收机通过低噪声放大器连接至组合器的输出端,所述组合器的输入端连接至所述射频开关组件的...

【专利技术属性】
技术研发人员:张胜利郭重涛王滔滔周义朋
申请(专利权)人:深圳大学
类型:发明
国别省市:广东;44

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